自从年唐钢古冶耐火车间利用当地的一水硬银石-高岭石型的高铝矾土熟料试制出w(Al2O3)=87.34%的高铝砖,年重钢利用贵阳高铝矾土试制出w(Al2O3)85%的高铝砖以来,用天然高铝矾土作原料制造高铝制品得到了迅速发展。同时作为一个原料品种,国家及行业也制定了相应的标准。
众所周知,高铝质耐火材料的性能,尤其是高温性能与其Al2O3含量有密切关系。从表1所示的不同Al2O3含量的高铝制品的高温性能(企业标准)中可以看出,Al2O3含量越高,材料的高温性能越好。目前,我国仅山西孝义尚有极少部分的w(Al2O3)在90%左右的高铝矾土。而在现实工业中,许多行业要求使用w(Al2O3)90%的耐火材料,如石化行业的高压气化炉等要求使用Al2O3)≥99%的高纯刚玉制品,如果采用天然原料来生产,显然是难以实现的。
表1不同Al2O3含量的高铝制品的高温性能(企业标准)
高铝耐火材料的发展是以市场需求为依托的。20世纪50~80年代,我国钢铁工业采用中小高炉炼铁,平炉及电弧炉炼钢,锭模浇注等工艺,用天然高铝矾土等原料生产的高铝制品能够满足这些炉窑及热工设备的生产需求。可是从20世纪80年代中期开始,随着上海宝钢建成投产和改革开放的深入发展,我国高温工业发生了翻天覆地的变化,淘汰了平炉及锭模浇注,出现了熔融还原炼铁,超高功率交流或直流电炉、大型氧气顶底复吹转炉炼钢,连铸等新技术,因此对高铝耐火材料提出了新的要求。
如:大型高炉需采用SiAlON结合刚玉陶瓷杯,熔融还原炼铁用SiAlON结合刚玉砖,Al2O3-SiC-C质铁沟浇注料,超高功率交流或直流电炉盖用刚玉或铬刚玉预制块,连铸用铝碳质长水口、塞棒及浸入式水口,等等。铝镁质浇注料,铝碳质滑动水口,喷煤管用刚玉材料,莫来石质浇注料,大型化肥厂用的w(SiO2)0.06%刚玉砖,节能降耗用氧化铝空心球,多晶氧化铝纤维,玻璃熔窑用熔铸锆刚玉砖,以及特种氧化铝等耐火材料,都是用高纯度的工业氧化铝作原料制成的。
另外,目前世界耐火材料工业的一个重要发展趋势是不定形耐火材料使用量快速增加,特别是低水泥、超低水泥和无水泥浇注料发展更快,其质量大多达到定形耐火制品的水平。目前,对不定形耐火材料的性能要求也越来越高,要求使用的优质原料首先是氧化铝原料,因为它对不定形耐火材料的性能起决定作用。
发展耐火材料技术必须围绕高温工业新技术发展来进行,大型企业耐火材料消耗指标要达到或接近国外先进水平。因此,要根据我国实情特别是资源特点,研究开发适用的耐火材料,做到有所创新,节能降耗。
发展氧化铝工业,满足耐火材料需求
众所周知,刚玉、莫来石、锆刚玉、锆莫来石、尖晶石、SiAlON等材料,是以工业氧化铝为原料合成的产品,其杂质极少,性能指标稳定,特别是对刚玉复相耐火材料,容易达到要求的理想性能,免受杂质影响,是符合现代高温技术要求的耐火材料。
工业氧化铝作为电解铝原料,一直是炼铝工业的主导产品。早在年,奥地利化学家拜耳就发明了处理铝土矿制取氧化铝的方法,即人们普遍知道的拜耳法,还有碱法、酸法、酸碱联合法及热法等。目前,氧化铝工业几乎全部采用碱法,拜耳法是碱法的一种,90%以上的氧化铝工业采用流程简单、能耗低、产品质量好的拜耳法生产。碱法中还有碱石灰烧结法、拜耳-烧结混联法。我国根据铝土矿的特点,采用后两种方法生产氧化铝。郑州铝厂在世界上首先用“拜耳-烧结混联法”生产氧化铝,经过四十多年的努力,这种方法日臻完善,氧化铝总回收率达92.2%,与山东铝厂的碱石灰烧结法相比,生产成本降低15%以上。因此,贵州、山西等铝厂相继改为混联法生产氧化铝。特别是采用管道一停留罐强化溶出技术,可以适应各种类型的不同品位的铝土矿,而且回收率高,为我国氧化铝工业的发展提供了技术保障。
到目前为止,耐火材料用氧化铝都是从铝业部门采购的。可是我国电解铝产能过剩,氧化铝产量不能满足电解铝的需求,年仍要大量进口氧化铝,因此氧化铝的价格一度猛涨,不过同时也掀起了投资建设氧化铝厂的热潮。
据了解,非炼铝用氧化铝也已引起了铝业部门的重视,如,中国铝业公司郑州研究院完成了《不定形耐火材料结合剂用水硬性氧化铝的应用技术研究》,其河南分公司建成了β-Al2O3的生产车间。尽管如此,耐火材料用氧化铝仍不容乐观,因为电解铝产能扩张迅速,氧化铝市场竞争激烈。我国得天独厚的铝土矿资源已显得不足。据铝业专家推测,我国铝土矿石的保障程度不过十几年。据悉,铝土矿的资源大省河南省,已将铝土矿资源向省内4家氧化铝企业集中,他们将控制全省80%以上的铝土矿。非铝企业配置的铝土矿资源量和矿业权数不得超过当地铝土矿资源总量和矿业权总数的15%。而非铝行业中并非耐火材料一家,还有磨料、建材等行业,可见高铝质耐火原料的形势有多么严峻。因此,笔者建议,目前应该像当年建设三门峡电熔刚玉厂那样筹建耐火材料用氧化铝基地,动员有实力的耐火材料企业投资,或引进外资,选择几处铝土矿综合开发,分级合理利用。